沉浸式体验频谱监测和信号分析教程

与实验室或生产制造的射频测试测量相比，在外场对空中的无线电信号进行频谱监测和信号分析是完全不同的业务场景和技术体系。在外场打开仪表，工程师会立刻面对复杂的电磁环境和大量的未知信号，但外场通常是相对紧急的干扰定位或故障排查工作，故要求工程师深入理解仪表并可以熟练操作。这也是诸如无线电监管、关键基础设施运行保障和公共安全机构开展各类技术演练的初衷之一，即训练工程师在准确设置仪表的基础上快速反应。

对外场频谱监测我们有如下建议：

1.

采用专用的接收机和测向机，关注射频前端、天线、专用功能的整体技术体系；

2.

需具备信号记录和分析技术能力，以应对日益复杂的信号环境和快速的技术发展；

3.

深入了解接收机参数设置和相关原理，以充分发挥仪表技术能力。

下面我们就以R&S最为广泛使用的PR200接收机和CA100信号分析软件为例，为您提供手把手的频谱监测和信号分析教程

在进行频谱监测和信号分析工作开始之前，我们先要在监测频率范围内进行全景扫描，以便在频谱中快速发现目标信号。与传统的手持监测设备不同，PR200特别提供了三种不同的工作模式（低噪声、常规和低失真），从下图可以看出，根据频段范围内信号的分布情况及目标信号的大小，我们可以选择适当的工作模式以适应当时的应用场景需求。比如，当需要发现小信号时，可选择低噪声模式，使底噪降低，提高系统灵敏度；当需要监测强信号时，可选择低失真模式，减少交调产物等虚假信号的产生，提高系统线性度；而常规模式可提供较为均衡的系统灵敏度和线性度，适合一般应用场景。

常规模式

低噪声模式

低失真模式

▲图1 三种工作模式下的全景扫描频谱结果

另外，PR200还提供可以选择自动或手动模式的衰减器，并支持以1 dB为步进的最大40 dB的衰减值设置。通过衰减器的设置，可以避免PR200进入过载状态，提高测量动态范围。如左下图，右上角红色闪电标记显示设备进入过载状态。开启自动衰减模式（右下图，衰减值24 dB）后，可以清晰地在频谱中对红色标记内的微弱信号进行监测。

     

▲图2 衰减器关闭和开启状态下中频频谱的对比

在进行频谱监测或干扰分析时，我们经常需要对信号发射源的类型进行判断和识别。对于简单的模拟调制信号（如AM/FM广播、ATC、模拟对讲机等），可以根据信号调制的技术特点，通过频谱和瀑布图对信号类型进行初步判断。由于PR200内置多种模拟解调器，我们可以在仪表上直接设置解调方式和解调带宽，通过解调后生成的音频信息对信号类型进行进一步的确认。

     

▲图3FM广播信号的频谱和瀑布图特征（伴有音频解调）

对于数字调制信号，有些具有明显特征的可以从频谱上直接识别，比如下图这样的2FSK信号。

     

▲图4 2FSK信号的频谱和瀑布图特征

如果碰到从频谱上不易分辨调制类型的数字信号（比如各种PSK和QAM调制信号），这时就可以使用专业信号分析软件CA100配合PR200运行，来对信号进行自动识别和测量。CA100从接收机获取信号的IQ数据，在此基础上经过算法处理，能够实现对各种模拟和数字调制信号类型的自动识别，还可以对信号的通信体制（传输系统）、符号速率、OFDM相关参数等进行深入的识别和测量，以及完成解调和解码等信号处理功能。

       

▲图5 使用PR200和CA100对TETRA信号进行自动识别、参数测量和解调处理

对于周期性发射的信号，我们可以在PR200的瀑布图上做标记线（MARKER），轻松地测量信号的各种参数，包括周期、持续时间、占用带宽等，并可以通过计算得到信号的占空比指标（持续时间/发射周期）。

     

▲图6 使用标记线测量信号的持续时间、发射周期和占用带宽等参数

而对于扫频信号，还可以在瀑布图上应用标记线功能对各种信号参数进行精确的测量（如下图中，扫频周期3.1 s、信道频率间隔1 MHz、扫频跨度30 MHz），并可通过计算得出扫频信道数（扫频跨度/信道频率间隔+1=31）。

     

▲图7 使用标记线功能测量扫频信号的扫频周期、信道频率间隔、扫频跨度等参数

对扫频信号在每个信道上的驻留时间，我们可以根据信号实际情况更改频谱的测量模式（选择“周期”、“手动”）并通过设置合适的测量时间（取决于信号的具体驻留时间大小），从而将信号在瀑布图的时间轴上扩展到适合测量的范围，以便对单个信号的驻留时间进行精确测量（如图100 ms）。

 

▲图8 通过更改频谱测量模式和测量时间对单个信号的驻留时间进行精确测量

另外，我们还可以将频谱轨迹线（TRACE）设置为最大值保持模式，从而更直观地在频谱上对扫频信号的整体情况进行观测。

     

▲图9 通过迹线最大值保持模式显示扫频信号频谱历史信息

当需要对某些短时信号（脉冲、雷达、TDMA通信等）进行精准分析或精确测量时，上述频域分析手段（频谱+瀑布图）就难以胜任了，这时候就需要用到PR200独具特色的零跨度（Zero Span）功能。比如对于脉宽20 μs、发射周期100 μs的脉冲信号，在实时频谱和瀑布图上已经无法对其进行分辨和测量（见下图）。

     

▲图10 无法通过频谱和瀑布图显示脉冲信号的周期性特征

此时，我们可以在频域分析的基础上引入时域分析功能（零跨度），对上述脉冲信号的实时频谱和时域波形进行同步显示。通过在信号的时域波形图上做标记线，便可轻松地实现对周期性脉冲信号的精确测量。

     

▲图11 使用零跨度功能精确测量脉冲信号的发射周期和脉冲宽度

除了可以对时域参数进行测量外，我们还可以通过PR200的门控频谱（Gated Spectrum）功能对TDD通信（如TD-LTE和5G）中存在的上行干扰信号进行分析和定位排查。

     

▲图12 通过门控频谱功能查看TDD通信中是否存在上行干扰

“工欲善其事，必先利其器“，PR200就是我们用来进行频谱监测和信号分析的一把利器。通过对PR200的应用功能的熟练掌握，配合恰当的参数设置和使用技巧，再加上专业信号分析软件CA100的加持，定能让我们轻松应对各种频谱监测和信号分析应用的技术需求！

审核编辑：刘清